智能家居系统能耗分析及节能策略研究

2022年2月1日电气知识53阅读模式

现代家庭中越来越多地拥有大量智能家居设备，包括：智能音箱、智能插座、智能网关、智能感应探测器及大量的智能家用电器等。大量智能家居设备一直处于通电状态（外置电源或内置电源），无论是否在工作状态，一直在耗电。由于每一个设备的待机电流、待机功率很小（如一个智能电源插座待机功率仅为2 W左右），并不被人们关注。但是，随着设备数量的增加及时间的累积，其耗电量仍然是可观的。

由于智能家居设备耗电量较小，目前国内对此类问题鲜有研究，关注较少。对于智能家居系统的研究大多集中在其智能特性及功效的发挥，以满足人们对舒适、便利的要求，忽视其在节能方面特性的发挥。本文对智能家居设备耗电的特点作出分析，并对减少智能家居系统耗电量提出对策、建议。

智能家居系统按设备连接方式划分，可以分为有线方式、无线方式、有线及无线混合方式。本文重点讨论无线智能家居系统，下文简称为“智能家居”。

智能家居系统耗电特性分析

智能家居系统设备分类

为讨论方便，笔者将智能家居系统设备作如下分类：网络连接设备、智能家居终端电器、智能家居控制设备。

下面作简要说明：

a. 网络连接设备包括：网络（光纤）路由器、无线路由器、无线网关等。网络连接设备是无线智能家居系统的基础设施、必备条件。网络连接设备一直处于信号联通状态，其设备本身一直在消耗电能。采用ZigBee总线信号、WiFi信号、蓝牙信号等不同的连接方式，其设备所产生的能耗大小有所不同。

b. 智能家居终端电器包括：智能空调、智能电热水器、智能马桶、智能洗衣机、智能室内环境调节电器（空气净化器、新风机等）、智能灯具等。智能家居终端电器的种类比较多，而且在不断地丰富。

c. 智能家居控制设备包括：智能插座、AI音箱、触屏音箱、智能控制面板、感应探测器、环境测量仪等。许多控制设备并不是独立存在的，而是以终端设备一体化的形式存在。AI音箱、触屏音箱、环境测量仪等设备既是控制设备，也是终端设备。对于无线智能家居系统，手机、iPad等移动设备亦可参与控制。

智能家居系统设备耗电特点分析

所有带有智能功能电器的使用均会产生附加能耗，此部分附加能耗可称其为“智能系统能耗”。

智能家居系统设备一般没有机械式电源开关，无电源完全关断时间，只要插上电源线，每天24 h处于工作状态或待机状态。下面举例说明。

智能音箱一直获取音频信号，对音频信号进行快速计算分析，根据计算分析判断音频信号是否为语音信号。若是语音信号，则判断语音信号的谱幅度值是否超过预设值，若是则智能音箱进入工作模式，故智能音箱一直处于耗电状态。

智能插座内置电源转换模块、主控制模块、通信模块，可以随时接收手机APP程序控制指令信号、内置程序控制信号、家庭网关控制信号等，根据接收到的指令信号来完成相应动作，实现相应的控制功能，故智能插座一直处于耗电状态。

智能插座可以作为家用电器的定时开关，实现家用电器设备在无效待机时间段的电源关断，从而节约了家用电器不必要的电能消耗，智能插座可在节约用电方面发挥重要作用。由于智能插座自身一直处于待机状态，其实它本身也在一直耗电。如果采用1个智能插座来减少1个微波炉的待机耗电（待机耗电功率约为1 W），智能插座自身的耗电量可能超过微波炉的待机耗电量，将会得不偿失。

智能家居设备能耗主要来源于3个方面：电源转换单元耗电、通信系统耗电、控制系统耗电。

根据以上举例分析，所有智能家居设备为实现其智能控制功能，均会产生“智能系统能耗”，消耗电能。即“智能”依赖于“耗能”，智能家居系统的能耗是其固有属性。

智能家居系统设备耗电量测量

每一台智能家居设备的工作电流、待机电流值都是非常小的，一般是毫安级的。笔者采用高精度钳形电流表对智能家居设备进行了抽样测量（如图1～图7所示），表1为某品牌智能家居设备待机电流值测量结果，供同行参考。

从以上测量结果看，智能电源插座、智能无线网关的待机耗电功率约为2 W，如果1个家庭有10个类似设备，相当于1个20 W的白炽灯一直处于点亮状态。现在家庭使用率较高的AI智能音箱待机功率相对较大，达到5.7～7.5 W。带有显示屏的智能家居设备耗电功率会大一些，如室内温湿度测量仪。

以1个家庭为例分析，假设1个家庭安装1个智能无线网关、1个AI智能音箱、5个智能电源插座。一年按365天计算，7个智能家居设备的待机耗电量约为179 kWh，可以说这是一个既可以忽略又不可以忽略的能耗。

资料显示，2018年全球智能音箱总出货量高达8 000多万台，其总耗电量是惊人的。

智能家居设备从无到有，并呈现快速上升的趋势。随着家庭智能化水平的提高，智能家居设备的普及，智能家居设备的耗电将成为一种新型的耗电类别。对于智能家居设备的耗电研究，目前比较缺乏，缺少系统性统计分析及系统研究。本文抛砖引玉，希望引起同行对该问题的关注。

智能家居系统的节能特性分析

节能是智能家居系统的天然属性

智能家居设备可以控制家用电器的开、关，可以减少家用电器的无效待机耗电时间。通过智能控制实现家庭电器设备的优化、经济运行、减少无效能耗，从而达到节能的目的。因此，节能亦是智能家居系统的天然属性。

智能家居设备是在传统的家庭电器设备上附加了智能功能，智能功能包括：定时控制、联动控制、逻辑控制、场景控制、感应控制、自适应控制、环境监测、信息识别、信息的显示与传输等。

智能家居系统的智能特性可实现三大目标满足（如图8所示），即：功能性满足、舒适性满足、节能性满足。

功能性满足：系统可实现常规手段无法实现或不好实现的功能；便捷性满足：系统可通过更便捷的方式实现想要实现的功能，为人们带来心理愉悦；节能性满足：在满足功能性、舒适性要求的基础上，产生附加的节能效果。

智能家居系统的兴起与发展，首先依赖于其提供了新的使用功能，可以实现传统的自动控制不好实现的功能，其最显著的特点是可以方便地实现人机交互、柔性控制、功能可变。以灯光控制为例，不仅仅是可以实现灯光的场景控制、一键开关控制，而且可以通过感知环境状态实现更加“聪明”的控制，控制逻辑、控制组合、控制方式可随意改变。如探测器感知卫生间无人移动时间超过设置值（时间可随意设置），系统可以自动关闭灯具或排气扇。这种家庭设备自动智能运行的结果，减少了家庭电器设备无效运行的电耗及无效运行的设备损耗。

智能家居设备不仅为用户带来功能性满足，而且提供了良好的使用体验，得到便捷性满足，给使用者带来愉悦。如智能AI音箱、智能触屏音箱等，为使用者带来视觉、听觉及心理的愉悦。这些所有美好的体验均以消耗电能为代价，智能的提升伴随着电能消耗量的增加。

智能家居系统在实现家庭电器设备有序运行的同时，可以实现家用电器的节能运行。另一方面智能家居系统自身也产生能耗，智能家居系统具有节能与能耗的双重性。可以通过智能家居系统的节能设计来抵消其自身的能耗。

智能家居系统的设计应该考虑节能设计，节能设计应成为智能家居系统设计的重要组成部分。

智能家居系统的节能途径

智能家居系统实现节能的基本途径包括运行时间控制、功率输出控制，满足人们对环境需求的前提下，尽量减少设备运行时间、减少其功率输出，达到减少电能消耗的目的。目前智能家居控制方式以开关量控制为主，较多采用时间控制方式。空调系统、新风系统、供暖系统设备可通过调节冷量、热量、风量，合理减少其功率输出（满足舒适度的前提下），达到减少能源消耗的目的。

可以减少的用电负荷包括：照明负荷、环境制冷或制热负荷、通风负荷、空气净化设备负荷、水加热负荷、家用电器待机消耗负荷等。

智能家居系统节能方式举例见表2。从表2可以看出，智能家居控制设备可以很方便地实现家用电器设备的节能。